TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器的深度解析

在电子工程师的日常工作中，寻找高性能、高可靠性的器件是设计成功的关键。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器，看看它在复杂环境下的卓越表现和设计要点。

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器件概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V额定值）、TPS7H6015（60V额定值）和TPS7H6025（22V额定值）三款器件。它们采用56引脚的HTSSOP塑料封装，有QMLP和Space Enhanced Plastic（SEP）两种等级可供选择。该系列驱动器专为高频、高效、大电流应用而设计，具有30ns典型传播延迟和5.5ns典型高低侧延迟匹配，非常适合基于GaN的功率转换器设计。

核心特性

辐射性能卓越

在辐射环境下，器件的可靠性至关重要。TPS7H60x5系列具有高达100krad(Si)的总电离剂量（TID）辐射硬度保证（RHA），对单粒子瞬态（SET）、单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅极破裂（SEGR）免疫，线性能量转移（LET）高达75 MeV - cm² / mg。此外，SET和单粒子功能中断（SEFI）特性在LET = 75 MeV - cm² / mg时也有出色表现。

强大的电流驱动能力

驱动器具有1.3A峰值源电流和2.5A峰值灌电流，能够为GaN FET提供足够的驱动能力，确保其快速开关。

灵活的工作模式

该系列驱动器提供两种工作模式：单PWM输入可调死区时间模式和两个独立输入模式。在独立输入模式下，还可选择输入互锁保护，有效防止上下桥臂直通。同时，分裂输出允许独立调整导通和关断时间，进一步优化电路性能。

其他特性

塑料封装经过ASTM E595标准的放气测试，适用于军事温度范围（–55°C至125°C），确保在恶劣环境下的稳定性。

应用领域

航天卫星电源

在航天领域，辐射环境对电子设备的可靠性提出了极高要求。TPS7H60x5系列的卓越辐射性能使其成为卫星电源系统的理想选择，能够为卫星的稳定运行提供可靠保障。

电机驱动

在电机驱动应用中，高频、高效的特性可以提高电机的控制精度和效率，减少能量损耗。

反应轮和通信有效载荷

反应轮和通信有效载荷对设备的可靠性和稳定性要求较高，该系列驱动器的高性能和可靠性能够满足这些应用的需求。

详细设计要点

输入电压和线性调节器

输入电压范围为10V至14V，为两个低侧线性调节器BP5L和BP7L供电。BP5L提供5V电压，为低侧逻辑电路和栅极驱动电压供电；BP7L提供7V电压，为低侧发射器供电。高侧线性调节器BP5H以BOOT电压为输入，为外部FET提供5V栅极电压。所有内部线性调节器建议不要进行外部加载，除非文档中另有说明。

自举操作

自举电路是半桥配置中为高侧栅极驱动器电路供电的关键。TPS7H60x5提供多种自举电容充电选项，包括通过内部自举开关充电、直接从VIN充电和双充电模式。自举电容的选择应至少为高侧GaN FET栅极电容的10倍，以确保稳定的栅极驱动电压。同时，自举二极管、电阻的选择也至关重要，需要考虑其耐压、峰值电流处理能力和正向电压降等因素。

输入输出和死区时间

输入引脚PWM_LI和EN_HI具有内部下拉电阻，其功能根据工作模式而异。在PWM模式下，PWM_LI作为单PWM控制信号输入，EN_HI作为使能引脚；在独立输入模式下，PWM_LI和EN_HI分别作为低侧和高侧输入。输出采用分裂输出结构，可独立调整导通和关断速度。在PWM模式下，通过连接电阻到AGND来编程高低侧输出之间的死区时间，以防止上下桥臂直通。

输入互锁保护和欠压锁定

在独立输入模式下，可启用输入互锁保护，防止GaN FET在半桥配置中发生直通。驱动器还具有欠压锁定保护功能，当内部调节器、VIN或BOOT电压低于阈值时，相应的输出将被拉低。同时，功率良好（PGOOD）引脚可指示低侧线性调节器是否进入欠压锁定状态。

应用案例分析

以TPS7H6005在高压同步降压转换器中的应用为例，详细介绍设计过程。

设计要求

输入电源电压为100V，输出电压为28V，输出电流为10A，开关频率为500kHz，栅极驱动器输入电压为12V，占空比为28%标称值，最大约35%，电感为15μH，选用EPC2307 GaN FET进行评估，工作模式为PWM。

详细设计步骤

1. 自举和旁路电容选择：自举电容计算需考虑总栅极电荷、泄漏电流和开关频率等因素，最终选择100nF X7R电容。VIN电容应至少为自举电容的10倍，选用2.2μF和1μF的陶瓷X7R电容。同时，在BP5H、BP5L和BP7L输出端选用1μF X7R陶瓷电容。
2. 自举二极管选择：自举二极管需具有足够的耐压能力，能够承受功率级输入电压，同时应具备低正向电压降、低结电容和快速恢复时间等特性。评估中选用150V、1A额定值的肖特基二极管。
3. 栅极电阻选择：栅极电阻用于抑制寄生电容和电感引起的振荡，同时可调节驱动强度。本设计中，导通和关断路径均选用2Ω电阻。
4. 死区时间电阻选择：为避免高低侧FET直通，同时减少GaN FET的第三象限导通时间，目标死区时间约为25ns，选用30kΩ电阻。
5. 栅极驱动器损耗计算：栅极驱动器的损耗包括静态功率损耗、泄漏电流功率损耗和栅极电荷充放电损耗等。通过相应的公式计算，可评估驱动器的功率损耗情况。

布局建议

由于增强型GaN FET具有小栅极电容和米勒电容，能够实现快速开关速度，但也对电路布局提出了更高要求。以下是一些布局建议：

1. 将GaN FET尽可能靠近栅极驱动器放置，以减小整体环路电感，降低噪声耦合。
2. 最小化自举充电路径的环路面积，因为该路径可能包含高峰值电流。
3. 将所有旁路电容（VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）尽可能靠近器件和相应引脚放置，选用低ESR和ESL的电容。
4. 分离功率走线和信号走线，减少不同层信号的重叠。
5. 使用短而低电感的路径连接PSW到高侧FET源极和PGND到低侧FET源极，以减少开关时的负电压瞬变。
6. 在GaN FET附近放置低ESR电容，以防止输入电源总线上的过度振荡。

总结

TPS7H60x5系列辐射加固半桥GaN FET栅极驱动器凭借其卓越的辐射性能、灵活的工作模式和强大的驱动能力，为电子工程师在复杂环境下的设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求，合理选择器件参数和布局方式，以确保电路的高性能和可靠性。你在使用类似驱动器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。